Wanneer bereikte de aarde voldoende zuurstofniveaus om dierlijk leven te ondersteunen? Onderzoekers van de McGill University hebben ontdekt dat een stijging van het zuurstofgehalte gelijk optrad met de evolutie en uitbreiding van complexe, eukaryote ecosystemen. Hun bevindingen vertegenwoordigen het sterkste bewijs tot nu toe dat extreem lage zuurstofniveaus miljarden jaren lang een belangrijke beperking op de evolutie hebben uitgeoefend.

"Tot nu toe was er een kritieke leemte in ons begrip van omgevingsfactoren in de vroege evolutie. De vroege aarde werd gekenmerkt door lage zuurstofniveaus, totdat de zuurstofniveaus aan het oppervlak stegen om voldoende te zijn voor dierlijk leven. Maar projecties voor wanneer deze stijging plaatsvond, varieerden met meer dan een miljard jaar - mogelijk zelfs lang voordat dieren waren geëvolueerd", zegt Maxwell Lechte, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Aard- en Planetaire Wetenschappen onder toezicht van Galen Halverson aan de McGill University.

Ironstones geven inzicht in het vroege leven

Om antwoorden te vinden, onderzochten de onderzoekers ijzerrijke sedimentaire gesteenten van over de hele wereld die waren afgezet in oude kustomgevingen. Bij het analyseren van de chemie van het ijzer in deze rotsen, konden de onderzoekers de hoeveelheid zuurstof schatten die aanwezig was toen de rotsen zich vormden, en de impact die het zou hebben gehad op het vroege leven, zoals eukaryote micro-organismen - de voorlopers van moderne dieren.

"Deze ijzerstenen bieden inzicht in de zuurstofniveaus van ondiepe mariene omgevingen, waar het leven evolueerde. Het oude ijzersteenrecord geeft ongeveer minder dan 1% van de moderne zuurstofniveaus aan, wat een enorme impact zou hebben gehad op de ecologische complexiteit", zegt Changle Wang, een onderzoeker aan de Chinese Academie van Wetenschappen die samen met Lechte de studie leidde.

"Deze omstandigheden met weinig zuurstof hielden aan tot ongeveer 800 miljoen jaar geleden, precies wanneer we voor het eerst bewijs beginnen te zien van de opkomst van complexe ecosystemen in het gesteente. Dus als er voor die tijd complexe eukaryoten waren, zou hun leefgebied beperkt zijn geweest door een laag zuurstofgehalte ", zegt Lechte.

De aarde blijft de enige plek in het universum waarvan bekend is dat het leven herbergt. Tegenwoordig zijn de atmosfeer en de oceanen van de aarde rijk aan zuurstof, maar dit was niet altijd het geval. De zuurstofvoorziening van de oceaan en de atmosfeer van de aarde was het resultaat van fotosynthese, een proces dat door planten en andere organismen wordt gebruikt om licht om te zetten in energie, waarbij zuurstof in de atmosfeer vrijkomt en de noodzakelijke voorwaarden worden geschapen voor ademhaling en dierlijk leven.

Zoeken naar tekenen van leven buiten ons zonnestelsel

Volgens de onderzoekers suggereren de nieuwe bevindingen dat de atmosfeer van de aarde in staat was om gedurende miljarden jaren een laag zuurstofgehalte in de lucht te handhaven. Dit heeft belangrijke implicaties voor de verkenning van tekenen van leven buiten ons zonnestelsel, omdat het zoeken naar sporen van zuurstof in de lucht een manier is om te zoeken naar bewijs van leven in het verleden of heden op een andere planeet - of wat wetenschappers een biosignatuur noemen.

Wetenschappers gebruiken de geschiedenis van de aarde om de zuurstofniveaus te meten waaronder terrestrische planeten zich kunnen stabiliseren. Als terrestrische planeten zich kunnen stabiliseren bij lage atmosferische zuurstofniveaus, zoals de bevindingen suggereren, is de beste kans voor zuurstofdetectie het zoeken naar het fotochemische bijproduct ozon, zeggen de onderzoekers.

"Ozon absorbeert ultraviolet licht sterk, waardoor ozondetectie mogelijk is, zelfs bij lage atmosferische zuurstofniveaus. Dit werk benadrukt dat ultraviolette detectie in ruimtetelescopen onze kansen op het vinden van waarschijnlijke tekenen van leven op planeten buiten ons zonnestelsel aanzienlijk zal vergroten", zegt Noah. Planavsky, een biogeochemicus aan de Yale University.

Meer geochemische studies van gesteenten uit deze periode zullen wetenschappers in staat stellen een duidelijker beeld te schetsen van de evolutie van zuurstofniveaus gedurende deze tijd, en de feedback op de wereldwijde zuurstofcyclus beter te begrijpen, aldus de onderzoekers.